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在化学中，双键是两个原子之间的共价键，涉及四个成键电子，而单键只涉及两个电子，这使得双键在强电子受体存在下可能更活泼。双键最常出现在两个碳原子之间，碳碳双键广泛存在于脂肪酸和磷脂中，重要的脂肪酸和磷脂中可能有一个或多个双键，理论上最多可达十余个。具有单个双键的脂肪酸在人体中最为普遍，约占总数的一半。具有两个或更多双键的脂肪酸出现的数量相对较少，但这样具有多个双键的脂肪酸在信号转导中非常重要，比如omega-3（ω-3）脂肪酸、神经酰胺和鞘磷脂等都有多个双键。
▲膜受体GPR120特异性识别不饱和脂肪酸的碳碳双键，不同脂肪酸在GPR120结合口袋内部的不同作用模式通过特定的信号转导传播路径来发挥不同的生物学功能（图片来源：研究作者提供）
ω-3脂肪酸通过作用于膜受体GPR120来发挥作用。GPR120是一种能够被长链脂肪酸酸识别的G蛋白偶联受体，作为治疗2型糖尿病和心血管疾病的潜在的新治疗靶点，已引起相当多的关注。然而，GPR120如何识别ω-3不饱和脂肪酸双键的机制还不得而知，具有多个双键的脂肪酸如何介导复杂的生物识别信号也亟需解释。
日前，中国科学家山东大学孙金鹏教授、冯世庆教授、于晓教授与浙江大学张岩教授团队通力合作，共同在《科学》杂志在线发表的最新研究成果，成功解析出LA、OA、EPA、9-HSA和TUG891等脂肪酸和其他类型配体结合GPR120与不同G蛋白的高分辨率冷冻电镜复合物结构，并结合系统药理学、结构生物学与计算生物学等手段阐明了GPR120识别双键的机制。
该研究发现GPR120配体结合口袋内部的芳香氨基酸可以通过π-π作用识别脂肪酸不同位置的双键，进而影响GPR120偶联下游不同的G蛋白来发挥多种功能。
▲GPR120结合LA、OA、EPA、9-HSA和TUG891等脂肪酸的冷冻电镜结构（图片来源：参考资料[1]）
其中至少九个芳香族氨基酸参与了不同位置双键的特异性识别，它们能够单独识别不饱和脂肪酸中存在的特定位置的双键，这种识别有助于芳香族氨基酸与配体的双键形成特定的距离和角度，相应的氨基酸突变以后可以发现这些特定的相互作用被破坏。
从配体结合口袋内部的氨基酸开始向下形成的传递通路会影响GPR120偶联下游不同的G蛋白，通过破坏或维持TM1-TM2和TM7中的构象锁影响GPR120结合Gq蛋白；芳香族氨基酸再加上疏水氨基酸的相互作用可以通过影响TM3和TM4的构象变化影响GPR120结合Gs蛋白。该研究确定了GPR120-Gi界面的独特特征，并阐明了与疾病相关的GPR120的SNP错义突变的结构基础。
▲TUG891配体选择性的结构基础（图片来源：参考资料[1]）
本研究还发现GPR120与合成的小分子配体TUG891相互作用的芳香族氨基酸残基表现出很大的多样性。药理学分析表明至少有五个芳香氨基酸调控着GPR120的激动剂选择性，TUG89中的O10将TUG891分成适合结合到两个子口袋的片段。通过结构生物学和药理学分析，单独优化这两个片段可以用于设计靶向GPR120合成激动剂。
综上所述，本项研究先进行了系统药理学分析，结合结构生物学，计算生物学和细胞功能实验，不仅阐明GPR120受体内的芳香族氨基酸可以通过π-π作用识别特定的双键，进而影响不同的下游信号转导，更为开发治疗糖尿病或者肥胖等疾病靶向GPR120的药物设计提供了有力指导。
浙江大学毛春友研究员、博士研究生秦娇，山东大学肖鹏教授、博士研究生陶晓娜、张超，山东大学齐鲁医院博士后贺庆涛博士为本文共同第一作者；山东大学孙金鹏教授、浙江大学张岩教授、山东大学于晓教授和山东大学冯世庆教授为文章共同通讯作者。贺庆涛博士由孙金鹏教授、冯世庆教授和于晓教授共同指导。山东大学张澄教授，王传新教授，滨州医学院的张道来副教授也参与了本文的功能实验。
赵子健教授
（广东工业大学教授，科技部“973”重大研究计划首席科学家）
ω-3多不饱和脂肪酸是调控代谢和炎症的重要信号分子，可被细胞膜上的游离脂肪酸受体4(FFAR4)--又称为GPR120所识别。GPR120是一种能够被长链脂肪酸识别的G蛋白偶联受体，也被认为是治疗糖尿病的潜在新靶点。近些年来，我国科研工作者通过大量工作的累积，在脂肪酸受体GPR120的研究中做出了重要贡献，在国际上GPR120研究领域展示了一系列引领工作。例如，中国科学技术大学的周荣斌教授和田志刚院士发现GPR120可以识别ω-3多不饱和脂肪酸和内源性脂类配体，抑制NLRP3炎症小体激活以及caspase-1、IL-1β分泌，改善NLRP3炎症性依赖性炎症和代谢紊乱（Immunity. 2013 Jun 27;38(6):1154-63）。
最近山东大学于晓教授团队和孙金鹏教授团队在研究中发现胰岛δ细胞上的GPR120主要感知胰岛内两种不同内源性不饱和脂肪酸配体，油酸（OA）和亚油酸（LA）。有趣的是，在这些工作中，已经意识到脂肪酸的双键位置可以影响胰岛中GPR120感知亚油酸LA后通过Gi和Arrestin偏好性通路抑制SST分泌，进而促进β细胞的胰岛素分泌，并且具有改善胰岛炎症，维持胰岛稳态的功能。但同样作为GPR120内源性配体的油酸则不具有此功能（Diabetes. 2022 Jul 1;71(7):1454-1471）。孙金鹏教授还和杜吕配教授一起开发了多个靶向GPR120的Arrestin信号途径的多个配体(Eur J Pharmacol. 2015 Sep 15;763(Pt B):160-8；Future Med Chem. 2015;7(18):2429-37)。值得注意的是，OA和LA的不饱和双键位于脂肪酸链的不同位置，其是否和他们在体内完全不同的功能有关，是很有意思的谜题。探究脂肪酸受体如何识别不同的不饱和脂肪酸类型，并产生具体的信号功能，成为亟需解决脂肪酸信号转导和代谢的重要科学问题。
近日，山东大学孙金鹏教授，冯世庆教授，于晓教授与浙江大学张岩教授团队通力合作，利用高分辨率冷冻电镜解析了多个不同的脂肪酸配体与GPR120-G蛋白复合物的结构，填补了长链脂肪酸识别G蛋白偶联受体领域的空白，揭开了脂类受体GPR120激活G蛋白的神秘面纱。该研究首次发现GPR120至少九个芳香氨基酸残基可以选择性识别不饱和脂肪酸中特定位置的双键的排列，并将它们转化为不同的信号输出，形成一种像钢琴键一样的编码。根据这些发现，作者提出了一种“钢琴键盘”模型，用于GPR120识别脂肪酸中的不饱和双键。一连串的双键构成了脂肪酸呈现的“键盘”，而特定的芳香氨基酸残基则是GPR120的“手指”。GPR120的“手指”与不饱和脂肪酸“键盘”的接触能够产生不同的“曲调”来指导生物功能。这些有趣的发现，包括阐明膜蛋白感知自然进化的不饱和双键的基本机制，即在特定位置具有不同双键修饰的脂肪酸“键盘模型”及其与偏好性信号转导的选择性连接，将会引起关注不同脂肪酸研究者的广泛兴趣。
此研究还发现只有ω-3多不饱和脂肪酸能够激活Gs信号，而其他脂肪酸和合成激动剂则不能。这对多不饱和脂肪酸病理和生理领域研究有着重大的启示作用。
多不饱和脂肪酸中的一个主要类别是ω-6多不饱和脂肪酸，其中最具有代表性的就是众所周知的花生四烯酸（AA,二十碳）。白晓春教授和赵子建教授团队的研究陆续发现在肿瘤细胞和胰岛中（Wen et al, 2012; Chen et al, 2013，Oncogene；Bi et al, JCI, 2017），花生四烯酸可以激活mTORC1,而与之相对应的EPA（ω-6）只比花生四烯酸多了一个双键，却抑制mTORC1活性。这一直是困扰我们的机制问题。如今孙教授和他们团队解析的“键盘/手指”匹配理论，完美地解释了这个多不饱和脂肪酸领域的病理生理调控现象。最近的研究表明GPR120的Gs活性有助于改善脂代谢，Gs偶联的具体特征及其与ω-3双键识别的联系可用于指导针对GPR120的有效药物开发。通过结构分析和计算模拟进一步表征了将GPR120在配体口袋内的双键识别与细胞质侧的特定结构特征联系起来的传播路径。研究发现位于TM3和TM4的构象锁负责Gs信号的产生，而TM2和TM6-TM7的构象锁将GPR120配体口袋内的特定π:π相互作用与选择性Gq的细胞质结构重排紧密相连。该研究确定了GPR120-Gi界面的独特特征，并阐明了与疾病相关的GPR120的SNP错义突变的结构基础。
本研究解析了不饱和脂肪酸通过受体实现跨膜信号转导的机制，破译了膜蛋白识别脂肪酸中不饱和双键排列的密码。该研究将引起对糖尿病、代谢疾病和GPCR研究领域感兴趣或从事研究的读者的关注，为发展高亲和力的ω-3多不饱和脂肪酸替代品指明了方向。
[1] Chunyou Mao et al., (2023) Unsaturated bond recognition leads to biased signal in a fatty acid receptor. Science Doi: 10.1126/science.add6220
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